Πόσες διαστάσεις υπάρχουν στο ολογραφικό Σύμπαν;

Πηγή: ScienceDaily, 9 Φεβρουαρίου 2009

Βιεννέζοι επιστήμονες προσπαθούν να κατανοήσουν τα μυστήρια της ολογραφικής αρχής: Πόσες διαστάσεις υπάρχουν στο σύμπαν μας; Κάποια από τα λαμπρότερα μυαλά σε παγκόσμιο επίπεδο διεξάγουν μια έρευνα στον τομέα αυτό - και ακόμη δεν έχουν επιτύχει μέχρι στιγμής τη δημιουργία μιας ενοποιημένης θεωρίας της κβαντικής βαρύτητας, που συχνά θεωρείται ότι είναι το "Άγιο Δισκοπότηρο" της σύγχρονης επιστήμης.

Ο Daniel Grumiller από το Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής της Βιέννης, μπορεί τώρα τουλάχιστον να έχει ξεμπλέξει ορισμένα από τα μυστήρια της κβαντικής βαρύτητος. Τα αποτελέσματα του για τις μαύρες τρύπες και τα κύματα βαρύτητας είναι θαυμαστές επινοήσεις του νου, το λιγότερο που μπορούμε να πούμε. Πρόσφατα κέρδισε το βραβείο START και θα χρησιμοποιήσει τα κεφάλαια αυτά για να φέρει περισσότερους νεαρούς φυσικούς στο Τεχνικό Πανεπιστήμιο της Βιέννης.

Εμείς αντιλαμβανόμαστε το χώρο γύρω μας ως τρισδιάστατο. Σύμφωνα με τον Αϊνστάιν, ο χρόνος και χώρος είναι συνδεδεμένα μαζί αδιαχώριστα. Η προσθήκη του άξονα του χρόνου στον δικό μας τρισδιάστατο χώρο κάνει το χωροχρονικό συνεχές των τεσσάρων διαστάσεων. Για δεκαετίες, οι επιστήμονες είχαν αναρωτηθεί για την ύπαρξη επιπλέον διαστάσεων που μέχρι τώρα ήταν βαθιά κρυμμένες από τις αισθήσεις μας. Ο Grumiller και οι συνεργάτες του προσπαθούν το αντίθετο: αντί να υποθέσουν την ύπαρξη επιπλέον διαστάσεων, πιστεύουν ότι το σύμπαν θα μπορούσε στην πραγματικότητα να περιγράφεται με λιγότερες από τέσσερις διαστάσεις.

"Ένα ολόγραμμα, που το βρίσκετε σε χαρτονομίσματα ή πιστωτικές κάρτες, φαίνεται να δείχνει μια τρισδιάστατη εικόνα, ακόμα και αν στην πραγματικότητα είναι μόνο δύο διαστάσεων," εξηγεί ο Grumiller. Σε μια τέτοια περίπτωση, η πραγματικότητα έχει λιγότερες διαστάσεις από ό,τι νομίζουμε ότι έχει. Αυτή η "ολογραφική αρχή" παίζει σημαντικό ρόλο στην φυσική του χωροχρόνου. Αντί να δημιουργηθεί μια θεωρίας της βαρύτητας σε όλες τις διαστάσεις του χρόνου και του χώρου, μπορεί κανείς να διατυπώσει μια νέα κβαντική θεωρία με μία λιγότερη χωρική διάσταση. Με αυτόν τον τρόπο, μια τρισδιάστατη θεωρία της βαρύτητος μετατρέπεται σε κβαντική θεωρία δύο διαστάσεων, στην οποία δεν εμφανίζεται πια η βαρύτητα. Ωστόσο, κι αυτή η κβαντική θεωρία προβλέπει φαινόμενα όπως οι μαύρες τρύπες ή τα βαρυτικά κύματα.

"Το ερώτημα, πόσες διαστάσεις έχει ο Κόσμος μας πραγματικά, πιθανώς δεν έχει βρει ακόμα μια κατάλληλη απάντηση, και πιθανώς δεν μπορεί να απαντηθεί ρητά," νομίζει ο Grumiller. "Ανάλογα με τη συγκεκριμένη ερώτηση που προσπαθούμε να απαντήσουμε, κάποια από τις προσεγγίσεις ενδέχεται να είναι πιο χρήσιμη."

Ο Grumiller εργάζεται αυτή τη στιγμή για βαρυτικές θεωρίες που περιλαμβάνουν δύο χωρικές διαστάσεις και μία του χρόνου. Μπορούν να αντιστοιχιστούν σε μια κβαντική θεωρία δύοδιαστάσεων χωρίς βαρύτητα. Αυτές οι θεωρίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να περιγράψουν ταχύτατα περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες ή "κοσμικές χορδές" - ατέλειες του χωροχρόνου, που μάλλον εμφανίστηκαν λίγο μετά το Big Bang.

Μαζί με τους συναδέλφους του από το Πανεπιστήμιο της Βιέννης, ο Grumiller διοργανώνει μια διεθνή ημερίδα, η οποία θα διεξαχθεί από τις 14 έως τις 24 Απριλίου. Θα συμμετάσχουν δε φημισμένοι επιστήμονες από το Harvard, το Princeton, το MIT και πολλά άλλα πανεπιστήμια.

Το σύμπαν κατά μία έννοια μπορεί να είναι ένα ολόγραμμα. Η ιδέα προέρχεται από τη φυσική των μαύρων οπών.

Την δεκαετία του '70 οι ερευνητές γνώριζαν ότι, όταν ένα αντικείμενο γίνεται μέρος μιας μαύρης τρύπας, δύο πράγματα συμβαίνουν. Το ένα είναι ότι όλη η αναλυτική πληροφορία γι αυτό το αντικείμενο χάνεται. Και το δεύτερο είναι ότι το εμβαδόν της επιφάνειας του ορίζοντα της μαύρης τρύπας μεγαλώνει.

Ο ορίζοντας είναι εκείνα τα σημεία από τα οποία δεν υπάρχει επιστροφή κάθε μάζας ή ενέργειας που πέφτει μέσα στην μαύρη τρύπα. Το πρώτο από αυτά τα γεγονότα φαίνεται να παραβιάζει τον δεύτερο θερμοδυναμικό νόμο, διότι μία από τις πληροφορίες που χάνονται είναι και η εντροπία του αντικειμένου, δηλαδή η πληροφορία που περιγράφει τις μικροσκοπικές του καταστάσεις. Αλλά το δεύτερο γεγονός μας προσφέρει ένα τρόπο να βγούμε από την αμηχανία του πρώτου. Αν η εντροπία πρέπει πάντα να αυξάνεται, και το ίδιο πρέπει να κάνει και ο ορίζοντας της μαύρης τρύπας, ίσως για την μαύρη τρύπα να είναι ένα και το αυτό πράγμα, και η πληροφορία αποθηκεύεται με ορισμένο τρόπο στον ορίζοντα. 

Και φτάνουμε στο 1993. Τότε, δύο φυσικοί σωματιδίων που εργάζονταν ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλο συμπεραίνουν ότι το ίδιο το Σύμπαν πρέπει να αποθηκεύει πληροφορίες κατά παρόμοιο τρόπο. Η κβαντομηχανική ξεκινάει με την υπόθεση ότι η πληροφορία αποθηκεύεται σε κάθε περιοχή του χώρου. Αλλά κάθε τροχιά στο χώρο μπορεί να γίνει μια μαύρη τρύπα, δηλαδή η πυκνότερη αποθήκη πληροφορίας της φύσης, η οποία αποθηκεύει την πληροφορία στα bits της περιοχής. Ίσως λοιπόν όλα όσα χρειαζόμαστε για να περιγράψουμε μια περιοχή του χώρου, είτε είναι αυτή μαύρη τρύπα είτε όχι, είναι η δυνατότητα της περιοχής να αποθηκεύει πληροφορίες. Η ιδέα αυτή αποκαλείται ολογραφική αρχή, επειδή μοιάζει με τον τρόπο που ένα ολόγραμμα κωδικοποιεί την τρισδιάστατη πληροφορία επάνω σε δισδιάστατη επιφάνεια.  

Πριν λίγα χρόνια ο θεωρητικός των χορδών Raphael Bousso, ενώ βρισκόταν ακόμη στο πανεπιστήμιο του Stanford, βοήθησε να διατυπωθεί μια ακριβέστερη και με ευρύτερη εφαρμογή πρόταση της αρχής αυτής που περιλαμβάνει και ακτίνες φωτός.

"Ο Κόσμος δεν μας φαίνεται σαν ολόγραμμα, αλλά με όρους των πληροφοριών που χρειαζόμαστε για να τον περιγράψουμε, είναι ένα ολόγραμμα". 

Ο  Bousso εξηγεί ότι το εκπληκτικό με την πρόταση του είναι ότι η ολογραφική αρχή ισχύει για όλες τις επιφάνειες σε όλους τους χωροχρόνους. "Έχουμε αυτόν τον εκπληκτικό σχηματισμό της ολογραφικής αρχής εδώ, και είναι πολύ πιο γενικός από την εικόνα της μαύρης τρύπας από την οποία ξεκινήσαμε. Και δεν έχουμε ιδέα γιατί αυτή ισχύει. Ότι μας λέει όλο αυτό είναι πως υπάρχει μια περιγραφή του κόσμου για την οποία πρέπει να ψάξουμε, η οποία είναι πολύ πιο οικονομική από εκείνη που είχαμε ως τώρα, και η οποία υποθέτουμε ότι έχει να κάνει με την κβαντική βαρύτητα." συμπληρώνει.